医学编码激励技术及应用范文

1编码激励的原理

为了防止超声的空化效应和热效应对人体可能造成的损害,需要对医学超声成像系统的峰值声功率和平均声功率进行限定[1,2]。在脉冲和连续多普勒血流测量系统中,峰值声功率和平均声功率都比较接近最大允许值。而在脉冲回波成像系统中,超声发射的占空比非常小,在发射超声的峰值声功率接近最大允许值的情况下,实际的平均声功率往往不到最大允许值的1%[1,3]。雷达系统中的编码激励技术[4]能够在不增加峰值发射功率的前提下,显著提高平均发射功率,从而提高系统的信噪比。受此启发,Newhouse在1974年提出了白噪编码的超声成像和多普勒测量系统[5]。在此后的近30年里,包括M序列伪随机码[6～10]、Barker码[7,11]、Golay码[6,11]、Chirp[12～16]和伪Chirp码[3,17]等各种编码方法被用于超声编码激励的研究。由于实时超声成像的时间带宽(TB)乘积较小,适用于雷达系统的编码方法用于超声成像时会产生严重的距离旁瓣(rangesidelobe)[3]。同时,超声编码系统的电路复杂性也远大于传统的脉冲回波成像系统。因此,如何将编码激励方法成功应用到医学超声仪器中,还是一个值得研究的问题。本文将从编码激励的原理、常用编码方法以及编码激励的应用三个方面来介绍医学超声编码激励技术。

2编码激励的原理

2.1编码激励成像系统的工作原理

是编码激励成像系统的简单框图[17]。编码激励成像系统与传统的脉冲回波成像系统的不同之处在于:(1)发射电路采用编码发射激励,必要时还需要对发射编码进行调制;(2)接收电路中需要对回波信号进行脉冲压缩。采用长脉冲激励发射阵元有可能提高超声成像系统的信噪比。但是,如果仅仅是简单地加大发射脉冲的长度,则会明显降低成像系统的轴向分辨率,造成图像的模糊[18]。编码激励技术能较好地解决这一问题。编码激励系统的基本工作原理如所示。(a)所示的传统脉冲发射系统用单脉冲进行激励,轴向分辨率取决于传感器的脉冲响应。(b)所示的编码激励系统,用一长串编码脉冲进行激励,激励脉冲的持续时间远长于传感器的脉冲响应时间。编码长脉冲激励时,探查空间中某一固定点产生的回波信号也是一长串脉冲。所以接收到的回波信号需要与一个参考信号做相关运算,才能够得到近似于传统脉冲激励系统的脉冲响应。这一处理过程称为脉冲压缩。编码激励系统的主要优点是,在峰值负声压一致的前提下,压缩脉冲的信噪比远高于传统回波脉冲的信噪比。信噪比增加值约等于编码长脉冲的TB积[7],(b)右侧的高脉冲示意了这一结果。编码激励系统的主要缺点是,除采用Golay码的系统外,相关运算的结果不可能象示意的那么理想,总会在主瓣的周围残余一些杂波[6],又称为距离旁瓣[3]。此外,发射长脉冲还会造成发射聚焦困难、图像死区增加、空间声场的旁瓣能量增加等问题。

2.2编码激励成像系统的信噪比分析

根据国家技术监督局执行的“医用诊断超声设备声输出公布要求”的IEC标准[1],对换能器部件和B超主机配套组合的所有工作模式声输出应满足如下三个条件:(1)峰值负声压:P-<1MPa(2)波束声强:Iob<20mW/cm2(时间平均声功率除以输出超声波束面积)(3)空间峰值时间平均值声强:Ispta<100mW/cm2其中,空间峰值时间平均声强Ispta,等于空间峰点上的一个脉冲在单位面积上传输的能量的总和除以脉冲重复周期Tp:Ispta=∫t2t1idt/Tp(1)式中:i为空间峰值处声强的瞬时值。i=p2/2ρc=p2/2Zs(2)式中:Zs=ρc为声阻抗率。由(1)、(2)式,得Ispta=∫t2t1i(t)dt/Tp=∫t2t1p2(t)/2Zsdt/Tp=∫t2t1p2(t)dt2ZsTp(3)如果用矩形窗来近似探头的传递函数,即:H(f)=1f-f0<Δf20f-f0≥Δf2(4)其中:f=η•f0(η为带宽百分比;f0为探头的中心频率),则探头的单位冲击响应为:p0(t)=sinπΔftπtsin2πf0t(5)因此,当发射声波的峰值负声压为P-时,p(t)=P-Δf×p0(t)(6)p(t)的傅立叶变换为:F(f)=P-Δf×H(f)(7)由帕斯瓦尔公式,得:∫t2t1p(t)2dt=∫+∞-∞F(f)2df=P2-Δf(8)将(8)式代入(3)式,得:Ispta=P2-2ΔfZsTp(9)传统的超声脉冲回波成像系统中,如果发射频率为5MHz,带宽为η=40%,帧频为30帧/s,脂肪中Zs=1.38×106Pa•s/m,当发射脉冲的峰值负声压P-=1MPa时,Ispta=P2-2ΔfZsTp=0.54mW/cm2100mW/cm2(10)(10)式表明,发射脉冲的峰值负声压等于最大值时,空间峰值时间平均值声强远小于允许的最大值。如果保持发射脉冲的峰值负声压不变,通过增加发射脉冲的长度使Ispta=100mW/cm2,则长脉冲携带的超声能量将是短脉冲的184倍。这表明,将上述系统的激励由短脉冲改为编码长脉冲时,信噪比提高的上限约为22.6dB。综上所述,当探头的中心频率为f0,带宽百分比为η,成像帧频为fp,介质声阻抗率为Zs时,编码长脉冲激励相对于传统的短脉冲激励,信噪比提高的上限为(采用MKS单位制):SNRinh≤10logηf0Zsfp-87dB(11)

3发射编码的选择

3.1发射编码选择的原则

编码激励成像系统中,编码方法选择和参考信号的设计对图像质量的影响很大。是无编码长脉冲和Barker码两种不同编码方式时,脉冲压缩效果的示意图[11]。图中采用匹配滤波来压缩脉冲,使主瓣能量极大。由可见,两种编码方式得到的压缩脉冲的主瓣大小一致,但(b)对应的压缩脉冲的距离旁瓣明显小于(a)。下面两个指标可以定量地衡量压缩脉冲的效果[7]:(1)主瓣宽度(Δτ)即主瓣的-3dB宽度。主瓣宽度反映了系统的轴向分辨率,它们之间的关系为:ΔR=c•Δτ(12)其中,c为声速。可见,主瓣宽度越窄,系统的轴向分辨率越高。(2)信杂比(Signal-to-clutterratio,SCR)即主瓣峰值和距离旁瓣峰值之比。SRC越小,图像的模糊越严重。大部分成像系统要求SCR大于50dB。综合上述两个指标,发射编码选择的原则是:使得压缩脉冲的主瓣宽度很窄,而且具有很高的SCR。事实上,这两方面的要求是矛盾的。一般来说压缩主瓣宽度会造成SCR的降低,反之亦然。最理想的压缩脉冲是δ函数。发射编码确定后,可以直接采用匹配滤波的方法来进行脉冲压缩。当匹配滤波得到的压缩脉冲的SCR不能满足要求时,可以考虑采用非匹配滤波[3,17]。非匹配滤波器的系数比匹配滤波器长。因此,非匹配滤波中SCR的提高,是以距离旁瓣持续时间的增加和系统设计的复杂性的增加为代价的。在设计非匹配滤波器时,把传感器对编码脉冲的影响考虑在内,可以进一步地提高SCR[12～14]。

3.2常用的发射编码

3.2.1白噪编码和M序列伪随机编码最早出现的编码发射系统是白噪相关系统[6]。是这种系统的框图。白噪发生器产生激励信号n(t)。考虑到换能器的带通特性,从固定深度返回的回波将不再是白噪,设得到回波信号x(t-τe),τe为目标深度产生的延迟。激励信号n(t)经水延迟线延迟τr。如果水延迟线的通带特性与换能器一致,延迟得到的信号为x(t-τr)。x(t-τe)和x(t-τr)相关运算得到输出:y(t)=∫tt-Tx(t-τe)x(t-τr)dt≡RTx(τe-τr)(13)上式表明,y(t)其实就是x(t)的自相关函数。设x(t)的功率谱密度为:S(f)=B/2π(B/2)2+(f-f0)2(14)其中:B为换能器的带宽;f0为中心频率。则,x(t)的自相关函数Rx(τe-τr)=exp[-πBτe-τr]cos2πf0(τe-τr)(15)Rx(τ)包络的主瓣宽度为Δτ=0.22B,即轴向分辨率ΔR=0.22•CB,这与脉冲系统的轴向分辨率非常接近。Rx(τ)的信杂比为:SCR=10•log(BT)(16)其中:T为激励白噪的长度。若探头频率为f=5MHz,探头带宽为40%。若要求SCR≥50dB,必须T≥50ms。在B模式成像中,这显然是不可能的。M序列伪随机码的编码发射系统和白噪相关系统相似[6]。考虑到换能器的带宽,一般需要对M序列伪随机码进行调制[19]。与白噪编码相比,M序列伪随机码的主要优点是便于生成和延迟。

3.2.2Golay码Golay码又称Golay互补序列对,其定义为一对由两种元素构成的等长、有限序列。且在任何给定间隔下,一个序列中的相同元素对的个数等于另一个序列中的相异元素对的个数[20,21]。设Golay互补序列对A(a0,a1,…,aN-1),B(b0,b1,…,bN-1),其长度为N,元素为-1和1。序列A、B的自相关函数分别为:cj=Σi=N-1i=jaiai-jj=0,…,N-1Σi=N-1+ji=0aiai-jj=-N+1,…,-1(17)dj=Σi=N-1i=jbibi-jj=0,…,N-1Σi=N-1+ji=0bibi-jj=-N+1,…,-1(18)则有:cj+dj=2Nj=00j≠0(19)因此,利用Golay互补序列对进行两次发射和脉冲压缩,并将两次压缩的结果求和可以完全消除旁瓣。是这一方法的示意图。Golay码脉冲压缩的示意图Fig5PulsecompressionofGolaycode理论上,Golay互补序列对的编码发射可以在保持主瓣宽度不变的情况下,完全消除旁瓣。但实际应用中,由于两次发射间组织的运动,往往达不到理论的效果。另外,采用Golay码会使图像的帧频降低一半。

3.2.3Chirp信号和伪Chirp码线性调频(Chirp)信号在雷达系统中的应用很广泛。由于Chirp信号具有很好的自相关特性,很适合应用于超声编码发射[15,16]。考虑到超声探头的带通特性,超声编码发射中使用的Chirp信号为:S(t)=cos[2π(f0-B2)t+α2t2](20)其中:f0为探头的中心频率;B为探头的带宽;α为线性调频的斜率。为了简化Chirp信号编码系统中的发射电路,可以采用伪Chirp信号[3]:S(t)=sign{cos[2π(f0-B2)t+α2t2]}(21)其中:sign为符号函数。

4超声编码发射成像的应用

4.1B模式成像

在B模式成像中,编码激励时,每次发射的超声能量比常规的脉冲激励高,因此可以提高图像的信噪比和扫查深度[22,23]。此外,由于信噪比和穿透能力的提升,在扫查深度相同的条件下编码发射可以采用更高的中心频率进行,从而提高图像的轴向分辨率。

4.2Doppler血流测量

Doppler血流测量中,Doppler频偏为:fD=3vcosθcf0(22)其中:f0为发射声波的中心频率;c为声速,v为血流速度;θ为声束和流速v之间的夹角。所示的白噪编码系统中,当T足够小时,有:y(t)=∫tt-Tx(αt-τe)x(t-τr)dt≈RTx([α-1]t+τr-τe)(23)其中,α=1-2vcosθc。由(15)式得:RTx(t)=exp[-πBτr-τe-2vcosθct]×cos2πf0(τr-τe-2vcosθct)(24)上式表明,RTx(t)是一个被exp[-πBτr-τe-2vcosθct]调制的余弦信号,其频率为Doppler频偏[6,8]。传统脉冲Doppler的测量受到著名的速度距离乘积的限制,即:υmaxRmax≤c28f0(25)式中:vmax、Rmax分别为可测量的最高流速和最大探测深度。编码发射的Doppler血流测量系统可以不受速度距离乘积的限制。

4.3B-flow成像

B-flow是一种能够提高超声成像分辨率、帧频和动态范围的新技术[11]。它能够同时显示血流和组织图像。B-flow使用编码发射和接收技术来增强血流散射子的回波信号,通过组织均衡技术来同时显示血流和组织,而不需要象传统彩色血流成像(CFM)那样采用阈值判断和叠加的方法。临床应用表明在动态范围为60dB的情况下,与传统的CFM图像相比,B-flow图像的分辨率和帧频提高了3倍。能够清晰地显示血管壁和血液的动力学特性。是B-flow成像的原理框图。与普通的编码激励系统不同的是,B-flow成像需要对回波信号进行组织均衡处理,以便同时显示组织信号和血液信号。组织均衡处理实际上就是前后两帧图像相减。即,B-flow图像的像素点的亮度为:B=E[u1-u22]=2(R(0)-R(1))(26)上式中,u1、u2为两次发射得到的回波;R(0)为每次发射的自相关;R(1)为两次发射的互相关。与组织回波相比,血流前后两次回波的相关性弱,所以显示亮度大。B-flow成像的原理框图Fig6BlockdiagramofB-flowimagingsystemB-flow成像克服了传统的CFM的不足:(1)发射脉冲越长,轴向分辨率越低。而短脉冲携带的能量少,穿透能力弱;(2)动态范围不足和噪声的影响使得红血球反射的弱回波不可见。B-flow成像在临床上的主要优点:(1)血流图像直观;(2)能清楚地显示动脉粥样斑和血管的不规则性;(3)高帧频,细节结构清晰(如瓣膜的开合,CFM中经常被叠加的血流盖住)。

4.4谐波成像

谐波成像中,采用常规的脉冲发射有两个缺点:(1)基波和二次谐波间的频谱泄漏:这是由于发射脉冲的传播过程中的非线性畸变引起的。(2)造影剂微泡的破裂。基于以上两个原因,要求发射声波的最大负声压小于50～100KPa。常规的脉冲发射的峰值负声压为:0.5～1MPa。降低常规脉冲发射的峰值负声压,会严重降低系统的信噪比。通过加大发射脉冲长度,编码发射可以弥补峰值负声压降低带来的信噪比损失[24]。

5总结

编码激励技术在雷达系统中早已经得到了广泛应用。由于超声成像的时间带宽(TB)乘积较小,实时要求高,编码激励系统比传统脉冲激励系统复杂等方面的原因,编码激励在医学超声成像系统中还没有得到广泛应用。近年来,随着技术的发展,采用编码激励的商品化医用超声成像系统开始出现。选择和设计更好的编码方式和压缩方法,以进一步提高超声图像的质量,仍然是超声成像系统的研究和开发中的一个热点。